Varaktorová dioda, také nazývaná varicap, VVC (napěťově proměnná kapacita nebo ladicí dioda), je typ polovodičové diody, která má na svém p-n spojení, když je zařízení obrácené, zkreslené, proměnnou kapacitu závislou na napětí.

Reverzní zkreslení v zásadě znamená, když je dioda vystavena opačnému napětí, což znamená kladné napětí na katodě a záporné na anodě.

Způsob fungování varaktorové diody závisí na existující kapacitě na p-n přechodu diody, když je v obráceném předpjatém režimu.

V tomto stavu najdeme oblast nekrytých nábojů vytvářených přes p-n strany spojení, které společně vedou k vyčerpání oblasti přes spojení.

Tato oblast vyčerpání zakládá šířka vyčerpání v zařízení, symbolizováno jako Wd.

Přechod kapacity kvůli výše vysvětleným izolovaným nekrytým nábojům přes p-n křižovatku lze určit pomocí vzorce:

CT = e. A / Wd

kde E je permitivita polovodičových materiálů, NA je p-n spojovací oblast a W d je šířka vyčerpání.

Jak to funguje

Základní fungování varikapu nebo varaktorové diody lze pochopit s následujícím vysvětlením:

Když se použije varaktor nebo varikapová dioda s rostoucím potenciálem reverzního zkreslení, vede to ke zvětšení šířky vyčerpání zařízení, což zase způsobí snížení jeho přechodové kapacity.

Následující obrázek ukazuje typické charakteristiky reakce varaktorové diody.

Můžeme vidět strmý počáteční pokles CT v reakci na zvýšení potenciálu reverzního zkreslení. Normálně je rozsah použitého reverzního předpětí VR pro kapacitní diodu s proměnným napětím omezen na 20 V.

Pokud jde o aplikované reverzní předpětí, lze přechodovou kapacitu aproximovat pomocí vzorce:

CT = K / (VT + VR) ⁿ

V tomto vzorci je K konstanta určená typem použitého polovodičového materiálu a jeho konstrukčním uspořádáním.

VT je potenciál kolena , jak je popsáno níže:

VR je množství potenciálu reverzního zkreslení aplikovaného na zařízení.

n může mít hodnotu 1/2 pro varikapové diody používající slitinové spojení a 1/3 pro diody používající rozptýlené spoje.

Při absenci předpěťového napětí nebo při předpětí nulového napětí lze kapacitu C (0) jako funkci VR vyjádřit pomocí následujícího vzorce.

CT (VR) = C (0) / (1 + | VR / VT |) ⁿ

Ekvivalentní obvod Varicap

Standardní symboly (b) a ekvivalentní přibližný obvod (a) varikapové diody jsou znázorněny na následujícím obrázku:

Obrázek na pravé straně poskytuje přibližný simulační obvod pro varikapovou diodu.

Jelikož jde o diodu a v oblasti s předpětím, je odpor v ekvivalentním obvodu RR zobrazen značně velký (kolem 1 M Ohmů), zatímco hodnota geometrického odporu Rs je poměrně malá. Hodnota CT se může pohybovat mezi 2 a 100 pF v závislosti na použitém typu varikapu.

Aby se zajistilo, že hodnota RR je dostatečně velká, aby svodový proud mohl být minimální, pro varikapovou diodu je obvykle vybrán křemíkový materiál.

Jelikož má být varikapová dioda specificky používána v extrémně vysokofrekvenčních aplikacích, nelze indukčnost LS ignorovat, i když v nanohenriích může vypadat malá.

Účinek této málo vypadající indukčnosti může být docela významný a lze jej dokázat následujícím způsobem výpočet reaktance .

XL = 2πfL, Představme si, že frekvence bude 10 GHz a LS = 1 nH, bude generováno v XLS = 2πfL = (6,28) (10¹⁰Hz) (10^-9F) = 62,8 ohmů. Vypadá to příliš velké a bezpochyby to je důvod, proč jsou varikapové diody specifikovány s přísným omezením frekvence.

Pokud předpokládáme, že frekvenční rozsah je vhodný a hodnoty RS, XLS jsou nízké ve srovnání s ostatními prvky řady, výše uvedený ekvivalentní obvod by mohl být jednoduše nahrazen proměnným kondenzátorem.

Porozumění datovému listu varikapu nebo varaktorové diody

Kompletní datový list typické varikapové diody lze studovat z následujícího obrázku:

Poměr C3 / C25 na výše uvedeném obrázku ukazuje poměr úrovně kapacity, když je dioda aplikována s potenciálem reverzního zkreslení mezi 3 až 25 V. Poměr nám pomáhá získat rychlou referenci ohledně úrovně změny v kapacitance vzhledem k použitému potenciálu reverzního zkreslení.

The postava za zásluhy Q poskytuje rozsah úvah pro implementaci zařízení pro aplikaci a je to také míra poměru energie uložené kapacitním zařízením za cyklus k energii ztracené nebo rozptýlené za cyklus.

Protože ztráta energie je většinou považována za negativní atribut, čím vyšší je relativní hodnota poměru, tím lépe.

Dalším aspektem v datovém listu je rezonanční frekvence varikapové diody. A to je určeno vzorcem:

fo = 1 / 2π√LC

Tento faktor rozhoduje o rozsahu použití varikapové diody.

Kapacitní teplotní koeficient

S odkazem na výše uvedený graf, kapacitní teplotní koeficient varikapové diody lze vyhodnotit pomocí následujícího vzorce:

kde ΔC znamená kolísání kapacity zařízení v důsledku změny teploty představované (T1 - T0) pro specifický potenciál zpětného zkreslení.

Například ve výše uvedeném datovém listu ukazuje C0 = 29 pF s VR = 3 V a T0 = 25 stupňů Celsia.

Pomocí výše uvedených údajů můžeme vyhodnotit změnu kapacity varikapové diody, jednoduše dosazením nové teploty T1 hodnoty a TCC z grafu (0,013). U nové VR lze očekávat, že se hodnota TCC bude odpovídajícím způsobem měnit. S odkazem zpět na datový list zjistíme, že maximální dosažená frekvence bude 600 MHz.

Pomocí této hodnoty frekvence lze reaktanci XL varikapu vypočítat jako:

XL = 2πfL = (6,28) (600 x 10¹⁰Hz) (2,5 x 10^-9F) = 9,42 ohmů

Výsledkem je velikost, která je relativně malá a je přijatelné ji ignorovat.

Aplikace varikapové diody

Několik málo vysokofrekvenčních aplikačních oblastí varaktoru nebo varikapové diody určovaných specifikacemi nízké kapacity jsou nastavitelné pásmové filtry, zařízení s automatickým řízením frekvence, parametrické zesilovače a FM modulátory.

Následující příklad ukazuje varikapovou diodu implementovanou v ladicím obvodu.